Чита – 2010 - Забайкальский Государственный Университет

На правах рукописи
Дядин Валерий Иванович
Обоснование и разработка
метода электродинамической сепарации
труднообогатимых металлоносных песков
Специальность 25.00.13 – Обогащение полезных ископаемых
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чита – 2010
1
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»
Научный руководитель
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Мязин Виктор Петрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Баландин Олег Агафангелович
кандидат технических наук
Килин Владимир Иванович
Ведущая организация
ООО «Востокгеология»
Защита состоится 25 июня в 10 часов на заседании диссертационного совета
Д 212.299.01 при Читинском государственном университете (г. Чита, ул.
Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого совета)
Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим
направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30,
ЧитГУ, ученому секретарю совета
Факс: (3022) 41-64-44; E-mail: root@chitgu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского
государственного университета.
Автореферат разослан « 25 » мая 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат геолого-минералогических наук
2
Н.П. Котова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Металлоносные пески россыпных месторождений
России были и остаются значительным резервом получения благородных металлов. Однако в них постоянно растет содержание мелких труднообогатимых
классов ценного компонента. Переработка таких песков классическими гравитационными методами приводит к нарастающим потерям и неоправданным затратам. Технологические потери труднообогатимых классов крупности – 0,25 мм
достигают 50%, а потери зерен пластинчатой формы оказываются еще большими. Поэтому актуален поиск и разработки новых нетрадиционных технологий
обогащения, позволяющих поднять уровень извлечения труднообогатимых мелких классов ценного компонента с учетом жестких требований экологической
безопасности.
Идея способа электродинамической сепарации возникла еще у М. Фарадея.
Но ее реализация стала возможной лишь после открытия вихревых токов Ш.
Фуко и изобретения бегущего поля Н. Теслой. Первыми теоретическими работами по электродинамической сепарации в СССР были работы Сермонса Г.Я. и
Лапицкого В.Н. Сегодня занимаются разработкой, изготовлением сепараторов и
внедрением в производство в Санкт-Петербурге (Шнеерсон Г.А.), в Екатеринбурге (Сарапулов Ф.Н., Коняев А.Ю., Назаров С.Л.), в Москве (Шубов Л.Я.). В
Европе, США, Японии электродинамические сепараторы также используются
для извлечения и сортировки цветного металла из бытовых отходов. Разработкой
электродинамических сепараторов активно занимаются Bauer J., Lengfelder W. и
Neubert K. – в Германии (патент DE 10,061,698 А1 от 12. 12. 2000г.); Wells J. и
Rano R. – в США (Патент US 5,626,233 А от 07.03.95 г.). Попытки применить
электродинамические сепараторы для извлечения мелкого металла в конце 80-х
годов предпринимались в России Звегинцевым А.Г. и сотрудниками Института
физики им. Л.В. Киренского СО РАН ( г. Красноярск), Афанасенко С.И. (Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, г. Новосибирск), Сочуговым Н.С. с
сотрудниками (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск).
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» (шифр 2007-5-1.5-0001-063).
Цель работы - обоснование электродинамического метода эффективного
извлечения труднообогатимых ценных компонентов металлоносных песков
мелких классов.
Объект исследования – золотосодержащие металлоносные пески прибрежно-морского россыпного месторождения западного побережья Камчатки.
Предмет исследования – процесс извлечения мелкого золота из массопотоков в рабочем пространстве электродинамического сепаратора импульсным
бегущим магнитным полем.
Основная идея работы - генерировать в рабочей зоне электродинамического сепаратора магнитное поле, достаточное для изменения магнитных
свойств разделяемых частиц минералов и управления траекториями их движения
воздействием импульсного бегущего магнитного поля.
3
Задачи исследования
1. Теоретически обосновать граничные условия эффективного применения
процесса электродинамической сепарации для извлечения труднообогатимого
ценного компонента металлоносных песков.
2. Разработать математическую модель движения минеральных частиц в
рабочей зоне электродинамического сепаратора и установить основные технологические факторы, влияющие на процесс извлечения мелких классов крупности
ценного компонента.
3. Разработать и изготовить устройство для электродинамической сепарации мелких классов крупности ценного компонента.
4. Разработать методологический принцип построения технологических
линий для извлечения мелких классов крупности электропроводящих частиц из
труднообогатимых металлоносных песков.
Методы исследований. Использован комплекс современных методов исследования, включающий математическое моделирование магнитного поля и
траекторий движения электропроводящих частиц ценного компонента мелких
классов крупности в импульсном бегущем магнитном поле, отбор проб и их подготовка к исследованию, экспериментальные исследования движения частиц
минералов мелких классов крупности в импульсном бегущем магнитном поле,
лабораторные, стендовые, макетные испытания электродинамических сепараторов, планшетные и статистические методы обработки результатов экспериментов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретическое обоснование условий эффективного применения процесса электродинамической сепарации для извлечения мелкого золота из металлоносных песков.
2. Способ генерации магнитного поля, позволяющий управлять траекториями движения электропроводящих частиц в рабочей зоне электродинамического сепаратора и реализующий принцип избирательного воздействия на электропроводящие частицы в массопотоке без разрушения рабочего узла сепаратора.
3. Устройство, реализующее способ электродинамической сепарации импульсным бегущим магнитным полем, обеспечивающее сепарационные характеристики процесса извлечения мелкого золота из металлоносных песков, позволяющее совершенствовать технологические схемы обогащения полезных ископаемых.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью полученных теоретических соотношений и экспериментальных данных в большом
количестве экспериментов с относительной точностью ~ 2 % и доверительной
надежностью ~ 95 %; работоспособностью и надежностью экспериментальных
установок в разных режимах работы.
Научная новизна работы:
1. Теоретически обоснована зависимость силы взаимодействия, действующей на электропроводящую частицу в рабочей зоне электродинамического сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем; выведены уравнения движения частиц мелкого золота для разных конфигураций магнитного поля.
2. Обоснован способ генерации импульсного бегущего магнитного поля,
обеспечивающий извлечение мелких классов крупности проводящих частиц и
4
управление их траекториями движения в рабочей зоне электродинамического
сепаратора.
3. Выведены уравнения движения электропроводящих частиц золота мелких классов крупности, создана математическая модель их движения в рабочей
зоне электродинамического сепаратора и выявлены основные факторы, влияющие на процесс извлечения мелкого золота в зависимости от размера и проводимости минеральных частиц, амплитуды напряженности, скорости изменения и
градиента магнитного поля, сдвига по фазе и частоты следования импульсов
магнитного поля.
4. Построены сепарационные характеристики извлечения проводящих частиц из искусственных смесей при регулировании параметров импульсного бегущего магнитного поля.
Практическое значение работы:
1. Экспериментально определена нижняя граница области практического
применения метода электродинамической сепарации для извлечения труднообогатимого мелкого золота (класса крупности + 50 мкм).
2. Созданы устройства генерации импульсного бегущего магнитного поля
для извлечения из массопотоков мелких проводящих частиц ценного компонента
и разработан способ управления их траекториями в рабочем пространстве электродинамического сепаратора.
3. Разработана конструкция сепаратора с импульсным бегущим магнитным
полем, защищенная патентами РФ, позволяющая эффективно извлекать частицы
ценного компонента мелких классов крупности.
4. Предложено устройство для реализации технологических линий обогащения с использованием электродинамической сепарации, применительно к
континентальным и прибрежно-морским россыпям.
5. Обоснованы методологические принципы построения технологических
линий для извлечения мелких электропроводящих частиц из металлоносных
песков с помощью электродинамической сепарацией при разработке континентальных и прибрежно-морских россыпей.
Реализация результатов работы. Созданный лабораторный макет для
электродинамической сепарации металлоносных песков на стадии оценки минерального сырья на обогатимость внедрен в учебный процесс кафедры ОПИиВС
ЧитГУ при проведении лабораторных работ по дисциплине: «Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых», дипломном проектировании при подготовке горных инженеров по специальности
130405 «Обогащение полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные результаты работы на разных этапах выполнения докладывались и обсуждались на различных научных конференциях в
Камчатском государственном техническом университете (ПетропавловскКамчатский, 1999-2005, 2007); Читинском государственном университете (Плаксинские чтения, 2002 г.), Институте вулканической геологии и геохимии РАН
(Петропавловск-Камчатский, 2004), Институте сильноточной электроники СО
РАН (Томск, 2007). Основные результаты работы опубликованы в сборниках
научных трудов и рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора. Выполнены теоретические исследования, разработан способ и устройства генерации импульсного магнитного поля, созданы ме5
тодики и математический аппарат расчета траекторий разделяемых частиц. Создан и изготовлен рабочий узел сепаратора. Организация и участие в лабораторных и стендовых испытаниях, обобщение, анализ полученных результатов, подготовка рекомендаций для практического использования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том
числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 3 патента на изобретение.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за постановку
задачи и постоянную поддержку при работе над сепаратором профессору, д.т.н.
А.С. Латкину, благодарит сотрудников лаборатории прикладной электроники
ИСЭ СО РАН (г. Томск), сотрудников кафедры физики Камчатского государственного технического университета, д. ф.-м. н. Викулина, сотрудников кафедры обогащения полезных ископаемых Читинского государственного университета, научного руководителя д.т.н., профессора Мязина В.П., д.г.-м.н. Павленко
Ю.В. Особая признательность автора учредителям ООО "Поиск" Г.А. Григорскому и А.П. Муравьеву, оказывавшим финансовую поддержку при изготовлении и испытаниях образцов сепаратора.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 2 приложений. Объем диссертации составляет 179 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка, 7 таблиц, библиографический список 86
наименований.
Во Введении сформулирована актуальность, новизна, цель и практическое
значение работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 рассмотрена область применения электродинамической сепарации в современном производстве, излагаются физические принципы электродинамической сепарации, раскрыты сущность и физические принципы метода
электродинамической сепарации, ее место в современных способах обогащения
полезных ископаемых и переработки вторичного сырья, определены границы
применимости. Сделан обзор, анализ работ по электродинамической сепарации в
России и за рубежом. Приведены оценки параметров магнитного поля в рабочей
зоне электродинамического сепаратора, необходимого для извлечения мелких
классов крупности электропроводящих частиц ценного компонента.
В главе 2 теоретически обоснован метод электродинамической сепарации,
выведена математическая формула силы взаимодействия металлической частицы с импульсным магнитным полем, рассмотрен случай одномерной формулы,
показана неэффективность применение одиночных импульсов магнитного поля
и необходимость использования импульсного бегущего магнитного поля
(ИБМП) для эффективного извлечения электропроводящих частиц из массопотоков. Выведены уравнения движения проводящей частицы в поле одиночного
импульса и в импульсном бегущем поле. Приведены и проанализированы решения уравнений движения электропроводящей частицы в поле одиночного импульса и в ИБМП при разных параметрах полей.
В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований взаимодействия мелких частиц металла с импульсным магнитным полем. Описаны
эксперименты по проверке зависимости силы взаимодействия от размеров частицы и параметров магнитного поля; от проводимости частицы и параметров
магнитного поля.
6
В главе 4 рассмотрены физические свойства минеральных частиц металлоносных
россыпей, физические свойства их минералов - возможных объектов для
применения метода электродинамической сепарации импульсным бегущим магнитным полем.
В главе 5 рассмотрены методологические принципы построения технологических поточных линий обогащения золотоносных песков на основе электродинамических сепараторов.
В Заключении подведены итоги исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первое защищаемое положение - теоретическое обоснование граничных
условий эффективного применения процесса электродинамической сепарации
для извлечения ценного компонента из металлоносных песков (излагается в главе 2).
В переменном магнитном поле B(t) проводящая частица за счет генерации в
ней индукционных токов приобретает магнитный момент  ~ – B t , на который в неоднородном магнитном поле действует сила:
F(t)=((t))B(t)
(1)
Механический импульс, который приобретет проводящая частица в результате воздействия импульса магнитного поля:
T
p(T )   F (t )dt ,
(2)
0
где T – длительность импульса внешнего магнитного поля.
Скорость, которую получит в нестационарном, неоднородном магнитном
поле частица металла цилиндрической формы, с осью симметрии ориентированной вдоль вектора магнитной индукции, направлена вдоль вектора магнитного
поля. Пусть радиус цилиндра R, высота H, а удельная проводимость металла .
Частица мала по сравнению с толщиной скин-слоя, следовательно, магнитным
полем вихревого тока в частице можно пренебречь. Тогда, магнитный момент
R
R
 B 
1
B
1
частицы будет равен:     r 2  dI (r )    r 2   r    Hdr    R 4 H 
2  t 
8
t
0
0
(3)
Подставляя (3) в (1), получим одномерную формулу взаимодействия проводящей частицы с импульсным магнитным полем
1
    R H  ddtv   18  R H   Bt  Bx  =  128    d
2
откуда F = 
4
1
  d4 
128
 В(t , x) B(t , x) 



x  ,
 t
4
 В(t , x) B(t , x) 
  


x 
 t
,
(4)
(5)
где d – диаметр; σ – проводимость частицы; В – амплитуда индукции магнитного поля.
Уравнения движения электропроводящей частицы для одиночного импульса
магнитного поля:
7
d2X
B( x) J ( )
 Q  J ( )  B( x) 

 0,
2
dt
x

(6)
  B0  d 2
  0  d 2  J 2  N 2
где Q 

 0 - величина постоянная для частицы в
8  R12   32   R12    R12  R22 
поле индуктора с током J, числом витков N, внешним и внутренним радиусом R1
и R2 соответственно.
Для электропроводящей частицы, взаимодействующей с импульсным бегущим магнитным полем, создаваемым двумя индукторами:
d2X
B(0)
 ( J1  J 2 )
 ( J1  J 2 )
 Q  R(0)
 ( J 2  J1 )
 X "  Q  Ф2  ( J 2  J1 )
0.
2
dt



(7)
Решение уравнения движения электропроводящей частицы в поле одиночного магнитного импульса синусоидальной формы с начальными условиями (t =
0), ток J(τ = 0) = 0. При токе синусоидальной формы в индукторе, скорость частицы принимает вид:
dX
Q
 v(t )  v0   ô 1sin 2 ( )
dt
2
(8)
Из решения (8) следует, что в результате воздействия одиночного импульса
магнитного поля в течение времени нарастания импульса скорость частицы может увеличиться до величины достаточной для извлечения частицы из потока
смеси, но во время спада импульса магнитное поле гасит скорость частицы и
возвращает ее в исходную точку пространства (рис.1).
Рис. 1. Скорость частицы в поле одного индуктора (поле одиночного импульса)
Интегрирование уравнения (7) дает выражение скорости:
 '( )   0  Q2   J1  J 2 
  J1  J 2 
d

графики которой приведены на рисунке 2.
8
,
(9)
Рис. 2 - скорость частицы в поле двух индукторов с согласованными токами:
а) – скорость в результате воздействия двух согласованных импульсов в форме полупериода синусоиды; б) – скорость частицы в результате воздействия двух согласованных импульсов в форме целого периода синусоиды (конечная скорость заметно выше).
Разные конечные скорости получаются в результате разных сдвигов фаз между импульсами тока в индукторах Наибольшая конечная скорость получается при сдвиге
фаз ΔТ = 0,18Т0 и ΔТ = 0,21 Т0 , где Т0 – период синусоидального тока
Скорость частицы в случае импульсного бегущего магнитного поля оказывается величиной аддитивной. Частица приобретает скорость в течение всего
времени работы обеих катушек, и конечная скорость частицы, оказывается достаточной для её извлечения из массопотока. Это значит, что для извлечения из
массопотока мелких проводящих частиц можно применять метод электродинамической сепарации при условии использования импульсного бегущего магнитного поля.
Таким образом, обосновано первое защищаемое научное положение.
Второе защищаемое положение - способ генерации магнитного поля, позволяющий управлять траекториями движения электропроводящих частиц в
рабочей зоне электродинамического сепаратора и реализующий принцип избирательного воздействия на электропроводящие частицы в массопотоке без
разрушения рабочего узла сепаратора (излагается в главах 1, 2 и 3).
При воздействии на массопоток переменным магнитным полем в частицах
разделяемых материалов индуцируются вихревые токи, благодаря которым у частиц возникают индуцированные магнитные моменты, и меняются их магнитные
свойства. Чем большие вихревые токи возбуждается, тем большие магнитные
моменты возникают у частиц, тем большими оказываются различия в их магнитных свойствах. Вихревые токи в частицах, согласно закону электромагнитной индукции, определяется их электропроводностью и скоростью изменения
индукции магнитного поля
I ~ - 
dB
,
dt
(10)
где I – вихревой ток в частице; σ – электропроводность частицы; B – индукция магнитного поля.
Поскольку электропроводность частиц металла большая, вихревые токи в
них оказываются всегда большими и частицы металла взаимодействуют с внеш9
ним магнитным полем сильнее, чем частицы вмещающих пород. Таким образом,
реализуется принцип избирательного воздействия на электропроводящие частицы в массопотоке и становится возможным управление их траекториями движения. Способы генерации переменного магнитного поля в рабочей зоне серийных
электродинамических сепараторов движением в непосредственной близости от
рабочей зоны постоянных магнитов и генерация электромагнитами, находящимися в непосредственной близости от рабочей зоны, питающимися переменным
током, не позволяют получать магнитные поля высокой напряженности, градиента и скорости изменения. Напряженность и скорость изменения магнитного
поля в рабочей зоне, полученные такими способами, ограничены либо величиной остаточной намагниченности постоянных магнитов и скоростью их перемещения относительно сепарируемого материала, либо количеством потребляемой
электромагнитами энергии и индукцией насыщения материала сердечников.
4
Напряженность полей, получаемых такими способами, не превышает ~ 1,5∙ 10
Гс. Частота изменения магнитного поля в электромагнитах также, чаще всего,
ограничена частотой изменения промышленных переменных токов – 50 (60) Гц.
Поэтому серийно выпускаемыми электродинамическими сепараторами из
транспортирующих потоков хорошо извлекаются только частицы металла, размером более 15 мм. Для извлечения более мелкого металла серийно выпускаемые электродинамические сепараторы не применяются. Препятствием этому является недостаточная величина магнитодвижущей силы в их рабочей зоне. Металлическая частица изменит траекторию движения только тогда, когда сумма
сил, действующих на неё со стороны магнитного поля, станет больше суммы
сил, удерживающих её внутри потока частиц вмещающих пород. Сила, действующая на минеральную частицу в рабочем объеме электродинамического сепаратора, показана выше (5). Из формулы следует, что извлекать частицы металла,
крупностью менее 1 мм, из массопотока непроводящих частиц можно лишь в
большом по амплитуде, быстро изменяющемся во времени и пространстве поле.
Получить магнитное поле с необходимыми характеристиками можно только с
помощью электромагнитов. Но генерация в непрерывном режиме магнитных
полей с такими характеристиками требует чрезвычайно большого расхода энергии. Поэтому создание источников питания и рабочих узлов для электродинамических сепараторов, позволяющих эффективно извлекать частицы металла крупностью менее 1 мм, является сложной технической задачей. Увеличение напряженности, скорости изменения и градиента магнитного поля и увеличение за
счет этого магнитодвижущей силы в рабочей зоне сепаратора, возможно в результате применения импульсного бегущего магнитного поля, генерируемого из
групп, сдвинутых по фазе одиночных импульсов, образующих пакеты бегущего
магнитного поля. Частоту следования и длительность пакетов выбирают так,
чтобы извлечение проводящих частиц обогащаемого класса крупности из массопотока было максимальным. Основным достоинством такого способа генерации
является возможность при малом расходе энергии получать в рабочем пространстве электродинамического сепаратора магнитные поля с характеристиками,
принципиально недостижимыми для систем непрерывной генерации. Таким образом, обосновано второе научное положение.
10
Третье защищаемое научное положение - устройство, реализующее способ электродинамической сепарации импульсным бегущим магнитным полем,
обеспечивающее сепарационные характеристики процесса извлечения мелкого
золота из металлоносных песков, позволяющее совершенствовать технологические схемы обогащения полезных ископаемых (излагается в главах 3 и 5).
В бегущем магнитном поле электропроводящая частица выталкивается из
рабочей зоны в пространство с меньшей плотностью энергии в результате воздействия на нее импульса бегущего магнитного поля, генерируемого системой
катушек с фазированными токами.
С учетом результатов многочисленных экспериментов разработан макет
лабораторного сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем, принципиальная и функциональная схемы которого представлены на рис. 3 и 4.
Сеть
Зарядное
устройство
Блок управления
Емкостный накопитель 1
Ключ 1
Индуктор 1
Емкостный накопитель 2
Ключ 2
Индуктор 2
Рис.3. Принципиальная схема макета сепаратора
с импульсным бегущим магнитным полем
6
1
I
8
5
I2
1
4
7
2
3
Рис. 4. Функциональная схема макета сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем: 1 – загрузочная емкость с питателем 6; 2 и 3 – емкости для выделенного материала и вмещающих пород; 4 и 7 – индукторы; 5 и 8 – емкостные накопители с ключами. Импульсы токов I1 и I2 – отрезки синусоиды, сдвинутые на время оптимальное для процесса сепарации.
Генераторы импульсов напряжений для макета сепаратора собраны на основе емкостных накопителей энергии - конденсаторных батарей с тиристорной
коммутацией на нагрузку. Генератор импульсных напряжений (ГИН) имеет два
канала, заряжающихся от общего источника питания. Зарядное напряжение на
11
силовых конденсаторах регулируется, что дает возможность менять амплитуду
импульсов магнитного поля. Электрическая схема генератора представляет собой блок из двух одинаковых каналов (рис.5). Кроме силовых каналов в состав
генератора входят блок зарядного устройства, плата управления тиристорами и
плата задающего генератора, позволяющие изменять сдвиг по фазе и частоту
следования импульсов, что необходимо для реализации «бегущего магнитного
поля».
L1
VS1
R1
R2
VD1
VS2
L3
VD2
C1
C2
L2
L4
0
0
Рис. 5. Упрощенная силовая схема ГИНа сепаратора:
С1, С2 – емкостные накопители (рабочие конденсаторы); VS1, VS2 – тиристорные
ключи; L2, L4 - катушки индуктора, R1, R2, L1, L3 – активные сопротивления и индуктивности элементов цепи
Рабочий узел пространственно отделен от блока источника питания и представляет собой сложный индуктор, состоящий из двух соосных бескаркасных
цилиндрических катушек, навитых медной шиной. Источник питания генерирует импульсы тока в индукторах, создающих импульсное бегущее магнитное поле
в рабочей зоне, куда подается металло-песчаная смесь. После разделения смесь
попадает в систему сбора для последующего анализа.
Для макета сепаратора разработаны методики экспериментов по определению рабочих характеристик сепаратора и методики по определению извлечения
электропроводящих частиц из массопотоков.
По результатам экспериментов по извлечению электропроводящих частиц
из массопотоков построены сепарационные характеристики макета сепаратора с
импульсным бегущим магнитным полем и установлен характер их изменения в
зависимости от изменения параметров магнитного поля в рабочей зоне макета
(рис. 6).
На построенных характеристиках граница разделения при зарядном напряжении 1000 В проходит в районе класса крупности ~ 0,15 мм. Это лучше, чем у
любого из шлюзов и большинства гравитационных аппаратов. С увеличением
зарядного напряжения в сепараторе граница разделения смещается в область
еще более мелких классов крупности. При зарядном напряжении 2000 В граница
разделения уже в классе ~ - 0,1 мм. При этом увеличивается крутизна сепарационной характеристики, она принимает все более выраженную S–образную форму, характерную для аппаратов со сквозным массопотоком.
Увеличение зарядного напряжения в электродинамическом сепараторе влечет за собой увеличение извлечения мелких классов крупности электропроводя12
щих частиц. Построенные сепарационные характеристики подчиняются экспоненциальной зависимости извлечения от размера частиц ценного компонента.
Рис. 6. Сепарационные характеристики макета:
Ряд 1- напряжение 1000 В; ряд 2 – напряжение 1250 В; ряд 3 – напряжение 1500 В;
ряд 4 – напряжение 1750 В; ряд 5 – напряжение 2000 В
Разработанный макет электродинамического сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем позволяет получать в рабочем пространстве магнитное
поле с параметрами, достаточными для извлечения из массопотоков электропроводящих частиц мелких классов крупности. Предложенное устройство реализует метод электродинамической сепарации импульсным бегущим магнитным
полем, реализует принцип избирательного воздействия на электропроводящие
частицы классов крупности – 0,25 мм и дает возможность получать режимы их
эффективного извлечения из массопотоков без разрушения сепаратора.
Физическим свойством частиц золота, на котором основан процесс электродинамической сепарации, является их высокая электропроводность, уступающая лишь серебру, меди и алюминию. Благодаря высокой электропроводности
у частиц золота, воздействие переменного магнитного поля индуцирует в них
магнитный момент, который становится основным физическим фактором для
процесса их извлечения.
Минералы россыпей по их способности проводить электрический ток
условно делятся на три группы: хорошие проводники, средние и слабые проводники и непроводники. Одни и те же минералы в зависимости от примесей,
влажности, температуры и других факторов могут обладать разной электропроводностью.
13
Таблица 1
Классификация минералов по электропроводности
Хорошие
проводники
Антрацит
Галенит
Графит
Золото
Магнетит
Молибденит
Пирит
Платина
Рутил
Серебро
Титаномагнетит
Средние и слабые
проводники
Антимонит
Бурый железняк
Вольфрамит
Гранат
Касситерит
Корунд
Кристофит
Смитсонит
Стибнит
Сфалерит
Хромит
Непроводники
Алмаз
Анортит
Бадделеит
Барит
Волластонит
Гипс
Гранат(светлый)
Каменная соль
Карналлит
Кварц
Ксенотит
Магнезит
Мусковит
Оливин
Полевой шпат
Сподумен
Турмалин
Флюорит
Шеелит
Шпинель
Высокая проводимость у большой группы минералов говорит о том, что
вместе с золотом электродинамическим сепаратором из россыпей можно извлекать и частицы других минералов с высокой электропроводностью (например,
платиноиды). Минералы с высокой электропроводностью будут одной из причин засоренности получаемого концентрата посторонними минералами.
Форма частиц золота является одним из значимых факторов, влияющим на
обогащение гравитационными способами. Однако в экспериментах с искусственными смесями, содержащими мелкое золото, установлено, что частицы
плоского лепешкообразного золота выталкиваются магнитным полем сильнее,
чем такие же по крупности изометричные. Предполагается, что при одинаковой
крупности плоская частица имеет меньшую массу, сильнее ускоряется магнитным полем и летит дальше. Исследовать поведение частиц золота в магнитном
поле в зависимости от их формы еще предстоит, но можно предполагать, что затруднения могут возникнуть при электродинамической сепарации частиц дендритовидной и игольчатой формы, для которых потребуются более высокие значения индукции и градиента магнитного поля.
Плоская форма и наличие минеральных, окисных и органических пленок на
поверхности частиц металла не является помехой для эффективного извлечения
золота электродинамическим сепаратором.
Примером труднообогатимой россыпи является прибрежная россыпь западного побережья Камчатки. Месторождение представляет собой прибойную
полосу шириной от ~ 20 до ~ 200 м, протяженностью около 2000 км с севера на
юг. После штормов на прибойной полосе появляются участки с высоким содержанием золота, которые можно обнаружить визуально. Среднее содержание золота в месторождении оценивается разными специалистами от 0,1 до 1,0 г/т. Основными минералами россыпи являются магнетит и титаномагнетит, второстепенные - кварц, амфибол, пироксен, полевой шпат, гранат, ставролит, сапфир,
рубин, андалузит. Химический состав минералов россыпи: FeFe2О4, ~ 30 %,
FeFe2O4+TiO2, SiO2, Al2O3. Большинство частиц золота пластинчатой формы
хорошо окатаны с краев, но много комковидного с множеством каверн на поверхности. Попытки извлечь его гравитационными аппаратами не дают результатов, золото полностью уплывает в потоке воды. Пробность золота высокая (≥
850), повышающаяся к краям частиц. В примесях больше всего ртути и серебра.
14
Из технологических свойств месторождения следует отметить практически полное отсутствие глинистых минералов и хорошую промывистость песков. Количество фракции песка – 0,5 мм на разных участках месторождения колеблется ~
от 10 до 5 % от общего объема исходного материала. Для золота характерна высокая плавучесть, обусловленная большой уплощенностью частиц, наличие
множества каверн и органической пленки на поверхности. Месторождение находится в непосредственной близости от мест нереста и нагула молоди ценных пород рыб в Охотском море. Поэтому для добычи золота необходима новая, прежде всего экологически безопасная технология извлечения ценного компонента.
Работоспособность предложенного электродинамического сепаратора, при
лабораторных испытаниях которого построены сепарационные характеристики –
степень извлечения от размера электропроводящих частиц является доказательством эффективности применения электродинамической сепарации импульсным
бегущим магнитным полем. На основе предложенного устройства предлагается
принцип построения технологических схем извлечения частиц ценных электропроводящих компонентов мелких классов крупности из труднообогатимых металлоносных песков с использованием метода электродинамической сепарации
импульсным бегущим магнитным полем. В предлагаемом способе, включающем
дезинтеграцию, грохочение, выделение магнитной фракции и гравитационное
обогащение, после выделения магнитной фракции пески классифицируют по
крупности + 0,25 мм и - 0,25 мм, пески крупностью + 0,25 мм подвергают гравитационному обогащению, а пески крупностью - 0,25 мм и осушенные сливы
хвостов гравитационного обогащения обогащают, воздействуя на них импульсным бегущим магнитным полем. На способ и поточную линию, осуществляющую способ обогащения металлоносных песков, подана заявка на изобретение.
Принцип построения схемы обогащения представлен схемой на рис. 7.
Исходные пески
Дезинтеграция и грохочение
Магнитное обогащение
Классификация
Гравитация
Электродинамическая сепарация в ИБМ
Концентрат
Концентрат
Хвосты
Слив
Хвосты
Осушение
Плавка
Слиток
Рис.7. Принцип построения поточной линии обогащения золотоносных песков
прибрежно-морской россыпи
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации решена актуальная задача повышения извлечения труднообогатимых мелких классов ценного компонента из металлоносных песков с использованием нового поколения экологически безопасных электродинамических
сепараторов.
Установлено, что сила взаимодействия электропроводящих частиц с импульсным магнитным полем зависит от скорости и градиента индуцирующего
магнитного поля и пропорциональна проводимости и четвертой степени размера
труднообогатимых частиц ценного компонента.
Доказано, что управление траекториями движения частиц может осуществляться изменением амплитуды напряженности магнитного поля в рабочей зоне
сепаратора, сдвига фаз между импульсами поля и изменением частоты следования групп импульсов.
Основные научные и практические результаты:
1. На основе фундаментальных законов электродинамики и механики теоретически обоснован метод электродинамической сепарации электропроводящих минералов мелких классов крупности импульсным бегущим магнитным полем.
2. Найдена зависимость сил взаимодействия электропроводящей минеральной частицы с магнитным полем, выведены дифференциальные уравнения движения частиц и получены их численные решения. Разработана математическая
модель движения минеральных частиц в импульсном бегущем магнитном поле.
3. Установлены основные закономерности движения частиц мелкого золота
в импульсном магнитном поле, определены основные факторы, влияющие на
процесс сепарации в импульсном бегущем магнитном поле.
4. Предложен способ генерации импульсного бегущего магнитного поля,
позволяющий решить задачу получения в рабочем пространстве электродинамических сепараторов магнитодвижущей силы достаточной для извлечения мелкого золота.
5. На лабораторном макете сепаратора экспериментально получено разделение минеральных частиц в импульсном бегущем магнитном поле и подтверждена достоверность расчетов.
6. На основе проведенных исследований предложена технологическая схема переработки труднообогатимых металлоносных песков.
Способ электродинамического разделения минералов в импульсном бегущем магнитном поле является основой для разработки современных электродинамических методов обогащения труднообогатимых россыпных месторождений
и создания нового поколения высокопроизводительных и эффективных аппаратов безреагентной добычи золота и других электропроводящих минералов.
16
Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Дядин В.И., Латкин А.С., Синявин Д.С. О возможности электродинамической сепарации // Проблемы современного естествознания: Материалы науч.техн. конф. (Петропавловск-Камчатский 25-28 марта 2002 г.) - ПетропавловскКамчатский: КГАРФ, 2002. - С. 23-27.
2. Дядин В.И., Латкин А.С., Синявин Д.С. Проблемы электродинамической
сепарации для обогащения россыпей благородных металлов // Экологические
проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья
(Плаксинские чтения): Тр. междунар. совещ. (Чита, 16-19 сентября 2002 г.). Чита: ЧитГУ, 2002. - Ч. II. - С. 100-105.
3. Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов
// Вестник Камчатского государственного технического университета. - Петропавловск- Камчатский: КамчатГТУ, 2002. - Вып. 1. - С. 152-156.
4. Дядин В.И., Латкин А.С. Обогащение дисперсных смесей электромагнитными методами // Физико-технические проблемы разработки полезных
ископаемых. - 2004. - № 2. С. - 100-104.
5. Дядин В.И., Латкин А.С. Электродинамическая сепарация немагнитных
дисперсных смесей // Обогащение руд. - 2004. - № 6. - С. 10-13.
6. Дядин В.И., Латкин А.С. Разделение дисперсного минерального сырья с
помощью вихревых токов // Вихри в геологических процессах. - ПетропавловскКамчатский: ИВГиГ ДВО РАН, 2004. - С. 260-263.
7. Дядин В.И., Кожевников В.Ю., Козырев А.В., Сочугов Н.С. Импульсная
электродинамическая сепарация малых проводящих частиц // Письма в журнал
технической физики. - 2008. - Т. 34. - Вып. 3. - С. 1-6.
8. Дядин В.И., Кожевников В.Ю., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов
Н.С. Метод импульсной электродинамической сепарации малых проводящих
частиц // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.
- 2008. - № 3. - С. 132-139.
9. Дядин В.И., Козырев А.В., Латкин А.С., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С.
Разделение минеральных смесей в импульсном бегущем магнитном поле // Обогащение руд. - 2008. - № 5. - С. 39-41.
10. Пат. 60397 Российская Федерация, В 03С 1/24, 1/02. Сепаратор / Дядин В.И., Латкин А.С., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С. - №
2006116401; заявл. 12.05.2006; опубл. 27.01.2007. Бюл. № 3. 2 с.
11. Пат. 70 824 Российская Федерация, U1 B 03C 1/02, 1/24. Электродинамический гидроциклонный сепаратор / Дядин В.И., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С. - № 2007140012; заявл. 29.10.2007; опубл. 20.02.2008.
Бюл. № 5. 1 с.
12. Пат. 2351398 Российская Федерация, В 03С, 1/02. Электродинамический сепаратор / Дядин В.И., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С. - №
2007139230; заявл. 22.10.2007; опубл. 10.04.2009. Бюл. № 10. 7 с.
13. Мязин В.П., Дядин В.И., Латкин А.С. Электродинамический сепаратор
для извлечения мелких классов золота из металлоносных песков // Вестник Читинского государственного университета. - Чита. - 2009. - № 5 (56). - С. 45-51.
17
Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97
Подписано в печать 20.05.2010
Формат 60х84 1/16
Усл.печ.л. 1,1
Тираж 100 экз.
Заказ N___
Читинский государственный университет
ул. Александро-Заводская, 30, г. Чита, 672039
РИК ЧитГУ
18